JP2020157752A - 造形装置および造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱部の上流側へ冷却部を設ける技術において、吐出ヘッド内の温度分布を、造形材料の材料種や吐出速度に対応して適正に、制御可能にする。【解決手段】造形材料を吐出し積層させて立体造形物を製造する造形装置において、造形材料を加熱する加熱部と、前記加熱部で加熱された造形材料を吐出する吐出部と、造形材料を冷却する冷却部と、前記冷却部と前記加熱部との間隔を調整する駆動部と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、造形装置および造形方法に関する。

金型などを用いずに立体的な造形物を造形可能な３Ｄプリンタ等の造形装置が普及しつつある。このような造形装置で行う造形物の製造方法（造形方法）として、樹脂等の熱可塑性の材料（造形材料）を吐出し積層させることで立体造形を行う熱溶解積層法（ＦＦＦ：Fused Filament Fabrication）がある。

造形装置として例えば、造形材料を吐出する吐出ヘッドには、材料を加熱する加熱部の上流側に、冷却部を備えるものが知られている（例えば特許文献１）。

しかしながら、造形材料の材料種や吐出速度によって必要な放熱量が異なるため、特許文献１では吐出ヘッドの制御が不十分である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、吐出ヘッドを適正に制御可能にすることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、造形材料を吐出し積層させて立体造形物を製造する造形装置において、造形材料を加熱する加熱部と、前記加熱部で加熱された造形材料を吐出する吐出部と、造形材料を冷却する冷却部と、前記冷却部と前記加熱部との間隔を調整する駆動部と、を備える。

本発明によれば吐出ヘッドを適正に制御可能にすることができるという効果を奏する。

図１は、第１の実施形態にかかる造形装置１の構成を示す模式図である。 図２は、造形装置１における吐出ヘッド１０の断面を示す模式図である。 図３は、造形装置１のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 図４は、中継フレーム２１および当該中継フレーム２１に保持される構成の上昇前後の違いを示した図である。 図５は、冷却部１２と加熱部１５との間隔が５，１０，２０［ｍｍ］の３種類の場合の吐出ヘッド１０の温度分布を示すグラフである。 図６は、吐出ヘッド１０の表面温度をモニタする場合の構成例を示す図である。 図７は、吐出ヘッド１０の表面温度をモニタする場合の構成例を示す図である。 図８は、第２の実施形態における吐出ヘッド１０Ａの断面を示す模式図である。 図９は、第２の実施形態における造形装置１Ａのハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 図１０は、仕切板１９を備える吐出ヘッド１０Ａの模式図である。 図１１は、従来の技術において、吐出終了時に溶融した樹脂Ｓを吐出ノズル１８内に引き込む様子を示した模式図である。 図１２は、フィラメントガイド１４に拡径部１４ａを有する吐出ヘッド１０Ｂの模式図である。 図１３は、弾性変形する仕切板１９Ｂを備える吐出ヘッド１０Ｃの模式図である。 図１４は、仕切板１９Ｃを移動させるカム２０Ｃを備える吐出ヘッド１０Ｄの模式図である。 図１５は、開閉可能な仕切板１９Ｄ（１９Ｄ１，１９Ｄ２）を例示する、吐出ヘッド１０Ｅ１，１０Ｅ２の模式図である。 図１６は、移動しない仕切板１９Ｅとポンプ２０Ｅとを備える吐出ヘッド１０Ｆの模式図である。 図１７は、エクストルーダ１１の周辺の構造を詳細に示した図であって、加圧部５０の構造の一例を示す図である。 図１８は、加圧部５０がフィラメントＦに加える圧力を調整するための手法の一例を示す図である。 図１９は、調整部７０の構造の一例を示す図である。 図２０は、調整部７０の構造の他の例を示す図である。

（第１の実施形態）
以下に添付図面を参照して、造形装置および造形方法の実施形態を詳細に説明する。図１は、本実施形態にかかる造形装置１の構成を示す模式図である。造形装置１は、筐体２、造形テーブル３、リール４、吐出ヘッド１０を備えている。

造形装置１は、熱溶解積層法により三次元造形物を造形する三次元造形装置である。造形装置１は、射出成形では金型が複雑になる、あるいは、成形できないような三次元造形物を造形可能である。以下、一例として熱溶融積層法の造形装置１をするが、熱溶融積層法以外の種々の造形方法に適用可能である。

筐体２の内部は、三次元造形物ＭＯを造形するための処理空間となっている。造形テーブル３は、筐体２の内部に設けられており、造形物ＭＯの載置台として機能する。つまり、造形テーブル３上に三次元造形物ＭＯが造形される。

本実施形態における造形材料は、熱可塑性の樹脂をマトリックスとした樹脂組成物からなる長尺状のフィラメントＦである。フィラメントＦは、細長いワイヤー形状の固体材料であり、巻き回された状態でリール４にセットされている。リール４は、筐体２外に設置されている。

吐出部としての吐出ヘッド１０は、造形材料を吐出する。吐出ヘッド１０は、筐体２の内部の造形テーブル３の上方に設けられている。図２は、造形装置１における吐出ヘッド１０の断面を示す模式図である。吐出ヘッド１０は、エクストルーダ１１、冷却部１２、フィラメントガイド１４、加熱部１５、吐出ノズル１８、中継フレーム２１、ヘッドフレーム２２、撮像モジュール１０１、ねじり回転機構１０２、およびその他の部品によって構成され、モジュール化されたものである。冷却部１２は、冷媒通路１３を備えている。加熱部１５は、熱源１６、熱電対１７を備えている。

エクストルーダ１１は、搬送部の一例であって、フィラメントＦを、吐出ヘッド１０内に引き込んで供給する。エクストルーダ１１は、一対のローラ１１ａ，１１ｂが軸方向を平行に隣り合って接した構成であり、一対のローラ１１ａ，１１ｂの間にセットされたフィラメントＦを、ローラ１１ａ，１１ｂを回転させることによって搬送する。フィラメントＦがエクストルーダ１１に引っ張られることで、リール４は、大きく抵抗力を働かせることなく自転する。

加熱部１５は、吐出ヘッド１０を加熱する。加熱することによって、吐出ヘッド１０に供給されたフィラメントＦが加熱され、溶融させる。熱源１６は、フィラメントＦを溶融するための熱源となり、例えばヒータである。また熱電対１７は、測温部として、造形材料の温度分布を測定する。熱電対１７は、例えばＫ型熱電対であって、熱源１６の温度を制御部１００（図３参照、後述）に出力する。熱電対１７に代えてサーモカメラを用いてもよいし、熱電対１７とサーモカメラを両方備えてもよい。溶融したフィラメントＦＭは、吐出ノズル１８に供給される。

冷却部１２はフィラメントＦを冷却する。冷却部１２は、加熱部１５より造形材料の供給方向における上流側（つまり加熱部１５の上方）に、設けられる。また、冷却部１２が備える冷媒通路１３は、冷媒の通路であって、液体の冷媒が循環することにより、フィラメントＦが冷却される。冷却部１２は、冷却することで、加熱部１５による加熱範囲を限る。これにより、冷却部１２は、溶融したフィラメントＦＭの吐出ヘッド１０内の上部への逆流や、フィラメントＦを押し出す抵抗の増大、或いは逆流したフィラメントＦが固化することによる詰まりを防いで、安定した吐出を可能とする。

加熱部１５と冷却部１２との間には、フィラメントガイド１４が設けられている。フィラメントガイド１４は、フィラメントＦを吐出ノズル１８に供給する経路であって、フィラメントＦを案内する。

吐出ノズル１８は溶融したフィラメントＦＭを吐出する。具体的には、吐出ノズル１８は、吐出ヘッド１０の下端部に設けられ、加熱部１５から供給された溶融（或いは半溶融）状態のフィラメントＦＭを、造形テーブル３上に線状に押し出すようにして吐出する。吐出されたフィラメントＦは、冷却固化されて所定の形状の層が形成される。さらに、吐出ノズル１８は、形成した層に、溶融状態あるいは半溶融状態のフィラメントＦＭを、線状に押し出すようにして吐出する操作を繰り返すことで、新たな層を積み上げて積層させる。これにより、三次元造形物ＭＯが得られる。

中継フレーム２１は、吐出ヘッド１０の一部の構成を保持する。ヘッドフレーム２２は、中継フレーム２１を保持する。中継フレーム２１は、ヘッドフレーム２２に、上下方向に移動自在に支持されている。吐出ヘッド１０を構成するもののうち冷却部１２以外は、中継フレーム２１に保持されていて、中継フレーム２１を介してヘッドフレーム２２に支持されている。冷却部１２は、直接、ヘッドフレーム２２に固定されている。これにより、冷却部１２を除く吐出ヘッド１０の構成部材は、冷却部１２およびヘッドフレーム２２に対して相対的に、上下に移動可能である。

撮像モジュール１０１は、フィラメントＦを撮像する。ねじり回転機構１０２は、吐出ヘッド１０内に供給されるフィラメントＦを回転させる。

ここで図１に戻り、造形装置１はさらに、Ｘ軸駆動軸３１、Ｘ軸駆動モータ３２、Ｙ軸駆動軸３３、Ｙ軸駆動モータ３４、Ｚ軸駆動軸３５、ガイド軸３６、Ｚ軸駆動モータ３７、クリーニングブラシ３８、ダストボックス３９を、備えている。Ｘ軸駆動モータ３２、Ｙ軸駆動モータ３４およびＺ軸駆動モータ３７は、それぞれ、吐出ヘッド１０を、Ｘ軸駆動、Ｙ軸駆動およびＺ軸駆動させる。

Ｘ軸駆動軸３１（図１のＸ軸方向に延びる駆動軸）は、筐体２の対向する２側面に渡し架けられている。Ｘ軸駆動モータ３２は、Ｘ軸駆動軸３１を回転させる。Ｙ軸駆動軸３３（図１のＹ軸方向に延びる駆動軸）は、筐体２の対向する２側面に渡し架けられている。Ｙ軸駆動モータ３４は、Ｙ軸駆動軸３３を回転させる。

吐出ヘッド１０は、筐体２内部において３軸直交座標系（ＸＹＺ直交座標系）のＸＹ平面のＸ軸方向とＹ軸方向へ移動可能に保持されている。より具体的には、吐出ヘッド１０は、Ｘ軸駆動軸３１にヘッドフレーム２２が連結されることにより、保持されている。

ヘッドフレーム２２は、Ｘ軸駆動軸３１の回転によりＸ軸方向にスライド移動する。Ｘ軸駆動モータ３２の駆動力でＸ軸駆動軸３１が回転することにより、ヘッドフレーム２２を備える吐出ヘッド１０が、Ｘ軸の正または負の方向へ移動する。

また、Ｘ軸駆動軸３１およびＸ軸駆動モータ３２は、Ｙ軸駆動軸３３にスライド移動可能に保持されている。また、Ｘ軸駆動軸３１およびＸ軸駆動モータ３２は、Ｙ軸駆動軸３３の回転により、Ｙ軸方向にスライド移動する。従って吐出ヘッド１０は、Ｙ軸駆動モータ３４の駆動力により、Ｘ軸駆動軸３１と一体に、Ｙ軸の正または負の方向へ移動する。

Ｚ軸駆動軸３５（図１のＺ軸方向に延びる駆動軸）は、筐体２の対向する天面および底面に渡し架けられている。ガイド軸３６は、Ｚ軸駆動軸３５に平行に、筐体２の底面に立設されている。Ｚ軸駆動モータ３７は、Ｚ軸駆動軸３５を回転させる。

造形テーブル３は、Ｚ軸駆動軸３５およびガイド軸３６に通され、Ｚ軸駆動軸３５に昇降可能に保持されている。造形テーブル３は、Ｚ軸駆動軸３５が回転することにより、Ｚ軸方向に昇降する。従って造形テーブル３は、Ｚ軸駆動モータ３７の駆動力により昇降する。

なお本実施形態では、吐出ヘッド１０をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動可能とし、造形テーブル３をＺ軸方向へ昇降させるよう構成したが、この構成に限らず、吐出ヘッド１０と造形テーブル３とが相対的に移動可能であればよい。

また、クリーニングブラシ３８は、吐出ヘッド１０（特に吐出ノズル１８）の周辺部を洗浄可能に設けられ、ダストボックス３９は、クリーニングブラシ３８によって除去された汚れや研磨剤を収集可能に設けられている。

フィラメントＦの溶融と吐出を継続して実行すると、吐出ヘッド１０の周辺部が溶融したフィラメントＦＭで汚れる場合がある。このような場合、吐出ヘッド１０をクリーニングブラシ３８の設置位置まで移動させ、クリーニングブラシ３８にクリーニング動作を行わせることにより、吐出ヘッド１０の汚染、例えば吐出ノズル１８の先端にフィラメントＦが固着すること等を防止することができる。

クリーニング動作は、フィラメントＦの温度がある程度高い状態で行われることが好ましい。この場合、クリーニングブラシ３８は、耐熱性部材からなることが好ましい。また、ダストボックス３９に集積された研磨粉は、定期的に捨ててもよいし、或いは吸引路を設けて外部へ排出させてもよい。

図３は、造形装置１のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。造形装置１は、既出の造形テーブル３、Ｘ軸駆動モータ３２、Ｙ軸駆動モータ３４、Ｚ軸駆動モータ３７、クリーニングブラシ３８、撮像モジュール１０１、ねじり回転機構１０２、エクストルーダ１１、加熱部１５および冷却部１２の他、制御部１００、径測定部１０３、昇降機構２３、側面冷却部４０、テーブル加熱部２４を、さらに備えている。図１、図２と同一の符号を付している構成については、適宜説明を省略する。

制御部１００は各部を制御する。具体的には、制御部１００は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ロジック回路等から構築されており、各部と電気的に接続されている。

造形装置１には、吐出ヘッド１０のＸ軸方向位置を検知するＸ軸座標検知機構が設けられている。Ｘ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＸ軸駆動モータ３２の駆動を制御して、吐出ヘッド１０を目標のＸ軸方向位置へ移動させる。

また、造形装置１には、吐出ヘッド１０のＹ軸方向位置を検知するＹ軸座標検知機構が設けられている。Ｙ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＹ軸駆動モータ３４の駆動を制御して、吐出ヘッド１０を目標のＹ軸方向位置へ移動させる。

さらに、造形装置１には、造形テーブル３のＺ軸方向位置を検知するＺ軸座標検知機構が設けられている。Ｚ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＺ軸駆動モータ３７の駆動を制御して、造形テーブル３を目標のＺ軸方向位置へ移動させる。

このように制御部１００は、吐出ヘッド１０および造形テーブル３の移動を制御することにより、吐出ヘッド１０および造形テーブル３の相対的な三次元位置を、目標の三次元位置に移動させる。

さらに制御部１００は、昇降機構２３、撮像モジュール１０１、ねじり回転機構１０２、径測定部１０３、エクストルーダ１１の各駆動部に制御信号を送信することで、これらの駆動を制御する。また、加熱部１５、冷却部１２、テーブル加熱部２４に制御信号を送信することで、それぞれを狙いの温度に制御（調整）する。制御部１００は、例えば、冷媒通路１３中の冷媒の流れの程度を調整することによって冷却部１２による熱の除去の程度を調整する（冷却調整工程）。

撮像モジュール１０１は、吐出ヘッド１０内に引き込まれるフィラメントＦを撮像する。撮像モジュール１０１は、例えばフィラメントＦを３６０°の方位から撮像した３６０°像の画像データを生成する。撮像モジュール１０１は、二方向から撮像する一対のものであってもよいし、或いは、反射板を用いて一つの撮像モジュール１０１によりフィラメントＦの３６０°像を撮像するものであってもよい。撮像モジュール１０１は、例えば、結像光学系（例えばレンズ）、撮像素子（例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor））等を備えたカメラである。

ねじり回転機構１０２は、一対のローラで構成され、撮像モジュール１０１により生成された画像データに基づいて、吐出ヘッド１０内に供給されるフィラメントＦを、Ｚ軸を軸として回転させることで、フィラメントＦの方向を規制する。ねじり回転機構１０２は、例えば、フィラメントＦにおける高粘度の樹脂と低粘度の樹脂との境界が所定の位置となるようにフィラメントＦの回転量を決定する。

径測定部１０３は、フィラメントＦの径を測定する。具体的には、撮像モジュール１０１により撮像されたフィラメントＦの画像から、Ｘ軸、Ｙ軸の２方向におけるフィラメントＦのエッジ間の幅を、それぞれ径として測定し、規格外の径を検出した際、エラー情報を出力する。エラー情報の出力先は、ディスプレイであってもよいし、スピーカであってもよいし、他の装置であってもよい。径測定部１０３は、回路であってもよいし、ＣＰＵの処理によって実現される機能であってもよい。

側面冷却部４０は、三次元造形物ＭＯの側面を冷却し、外形を維持する。側面冷却部４０としては、三次元造形物ＭＯの側面を冷却可能な冷却源であれば特に限定されないが、ファンが例示される。

テーブル加熱部２４は、造形テーブル３に設けられて、積層された造形物ＭＯを加熱する。

昇降機構２３は、駆動部として、冷却部１２と加熱部１５の間隔を調整する。昇降機構２３は、駆動源としてモータを備える。具体的には、昇降機構２３が駆動源としてのモータの回転運動を、ボールねじやカム等により昇降運動へ変換して、中継フレーム２１を昇降させる。昇降機構２３により、吐出ヘッド１０と冷却部１２は相対的に上下に駆動することができる。

制御部１００は、吐出ヘッド１０からの造形材料の吐出速度に応じて、昇降機構２３に、冷却部１２と加熱部１５の間隔を調整させる（間隔調整工程）。また、制御部１００は、造形材料の性質に応じて、昇降機構２３に、冷却部１２と加熱部１５の間隔を調整させる（間隔調整工程）。図４は、中継フレーム２１および当該中継フレーム２１に保持される構成の上昇前後の違いを示した図である。

図４（ａ）は、上昇前の状態を表す。当該状態では、冷却部１２と加熱部１５との間隔が、ｚ［ｍｍ］に保たれている。図４（ｂ）は、上昇後の状態を表す。当該状態では、左側に示す状態よりも、吐出ヘッド１０のうち冷却部１２を除く構成が、昇降機構２３によりΔｚ（マイナスの値も含む）だけ上へ移動している。この状態では、冷却部１２と加熱部１５との間隔は、ｚ＋Δｚ［ｍｍ］である。

図５は、冷却部１２と加熱部１５との間隔が５，１０，２０［ｍｍ］の３種類の場合の吐出ヘッド１０の温度分布を示すグラフである。横軸は、吐出ノズル１８の先端からの距離を示し、縦軸は、各距離の位置における温度を示す。吐出ノズル１８は、０〜１２［ｍｍ］、加熱部１５は、１２〜２２［ｍｍ］の範囲を占めている。

グラフに示した温度分布は、制御部１００が、吐出ノズル１８の先端の温度の設定値を３８０℃として、加熱部１５に制御信号を送信した際の結果である。温度の測定値は、吐出ヘッド１０の各位置に取り付けられた、熱電対１７が出力した。

温度分布は、吐出ノズル１８の先端から加熱部１５の下端までは、概ねなだらかに低下し、加熱部１５の下端から冷却部１２に向かって急激に低下する。また、冷却部１２と加熱部１５との間隔が大きいほど、温度低下の勾配がなだらかである。

造形物ＭＯの寸法精度（微細性）と生産性（造形速度）とは、トレードオフの関係にある。このため、ユーザは、要求される寸法精度および生産性に応じて、造形速度を指定する。また、指定の造形速度によって、フィラメントＦの熱可塑化（溶融）に必要な熱量が異なる。つまり、造形速度が速いほど、多くの熱量が必要となる。このため、指定の造形速度によって、吐出ヘッド１０の温度分布は大きく変化する。

上記測定結果から、例えば、加熱部１５の発熱量を変化させることに加え、加熱部１５と冷却部１２との間隔を変化させることで、吐出ヘッド１０内の温度分布をより細かくコントロールすることが可能となり、これにより安定した樹脂の吐出が可能となることが読み取れる。

また、材料種によっても、フィラメントＦの熱可塑化（溶融）に必要な熱量は異なる。よって、加熱部１５と冷却部１２との間隔を、材料種に応じて定めることで、安定した樹脂の吐出が可能となる。以下に、所望の樹脂を溶かすのに必要な熱量の計算式を示す。

Ｑ ＝ （Ｃｐ × ΔＴ ＋ ｑｍ） × ｍ …（式１）
Ｑ［Ｗ］ ： 樹脂を溶かすのに必要な熱量
Ｃｐ［Ｊ／ｇ／Ｋ］： 比熱
ΔＴ［Ｋ］ ： 目標温度と室温の差分
ｑｍ［Ｊ／ｇ］ ： 融解熱
ｍ［ｇ／ｓ］ ： 吐出速度

上記式１から、吐出速度および材料種によって、必要な熱量が異なることがわかる。

以上のように、第１の実施形態によれば、加熱部１５の上流側へ冷却部１２を設ける技術において、加熱部１５と冷却部１２の間隔を調整可能としたので、吐出ヘッド１０内の温度分布を、造形材料（フィラメントＦ）の材料種や吐出速度に対応して適正に、制御可能とすることができる。

なお、加熱部１５と冷却部１２との間隔の設定にあたっては、造形速度や材料種ごとに予め対応させた設定値を持ってもよいし、また、吐出ヘッド１０の表面温度をモニタしてフィードバックするようにしてもよい。図６および図７は、吐出ヘッド１０の表面温度をモニタする場合の構成例を示す図である。図１、図２と同じ符号を付している構成については適宜説明を省略する。

図６に示すように、吐出ヘッド１０の周辺にサーモカメラ４１（測温部の一例）を設置し、造形中の吐出ヘッド１０の表面温度をモニタして制御部１００にフィードバックすると、加熱部１５と冷却部１２の間隔をより適正に設定可能となる。温度の測定手段については、サーモカメラ４１に限らず、図７に示すように、流路の近傍に熱電対４２（測温部の一例）を設けても良い。また、サーモカメラ４１と熱電対４２を両方設けても良い。

また、本実施形態では、冷却部１２の冷却を、冷媒通路１３に液体の冷媒を流すことで行っているが、厳しい温度コントロールが不要の場合は、空気を吹き掛けて対象を冷却する空冷ファン等を使用してもよい。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、第１の実施形態の変形例であるので、第１の実施形態と同じ部分については同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。

図８は、本実施形態における吐出ヘッド１０Ａの断面を示す模式図である。吐出ヘッド１０Ａは、エクストルーダ１１、冷却部１２、フィラメントガイド１４、加熱部１５、吐出ノズル１８、仕切板１９、撮像モジュール１０１、ねじり回転機構１０２、およびその他の部品によって構成され、モジュール化されたものである。冷却部１２は、冷媒通路１３を備えている。加熱部１５は、熱源１６、熱電対１７を備えている。

また、図９は、本実施形態の造形装置１Ａのハードウェア構成の一例を示すブロック図である。造形装置１Ａは、制御部１００、Ｘ軸駆動モータ３２、Ｙ軸駆動モータ３４、Ｚ軸駆動モータ３７、撮像モジュール１０１、ねじり回転機構１０２、径測定部１０３、エクストルーダ１１、加熱部１５、冷却部１２、昇降機構２３、側面冷却部４０、造形テーブル３、クリーニングブラシ３８、テーブル加熱部２４を備えている。さらに、造形装置１Ａは、仕切板１９を移動させる仕切板移動機構２５（変圧部の一例）を備えている。制御部１００は、仕切板移動機構２５に制御信号を送信することで、仕切板移動機構２５を制御する。

図１０は、仕切板１９を備える吐出ヘッド１０Ａの模式図である。仕切板１９は、冷却部１２と加熱部１５を仕切る板である。仕切板移動機構２５は、仕切板１９を移動させて、吐出ノズル１８と仕切板１９との間の圧力を変化させる。仕切板１９は、フィラメントガイド１４内に設けられている。仕切板１９は、冷却部１２と加熱部１５との間となる位置に設けられて、フィラメントガイド１４内の空間を冷却部１２側と吐出ノズル１８側とに二分する。これにより仕切板１９は、自身と樹脂固体面ＦＳとの間に、空間Ａを形成する。樹脂固体面ＦＳは、造形材料であるフィラメントＦが溶融した樹脂Ｓの表面の凝固した部分である。

フィラメントＦは、フィラメントガイド１４内において、仕切板１９の中央部の孔を貫通している。フィラメントＦは孔の内周に隙間なく接する。なお、図１０では仕切板１９はフィラメントガイド１４内に設けられているが、吐出ノズル１８内に設けられていてもよい。

仕切板１９が上下したり開閉したりといった動作により、空間Ａ内の圧力が変動する。空間Ａの圧力が下降すると、溶融した樹脂Ｓに、引き上げられる方向の力が加わる。この力を作用させることで、樹脂Ｓを吐出ノズル１８内に引き込み可能となる。またこの力を吐出終了時に作用させることで、吐出ノズル１８の先端から造形物ＭＯへの糸引きを防止できる。

また、空間Ａ内の圧力が上昇すると、溶融した樹脂Ｓに、押し出される方向の力が加わる。この力を作用させることで、溶融した樹脂Ｓが、吐出ノズル１８から押し出される。

ここで、樹脂固体面ＦＳは、溶融した樹脂Ｓと空間Ａとの間に存在するものである。樹脂固体面ＦＳは、少なくとも加熱部１５の稼働時、フィラメントガイド１４や吐出ノズル１８の内壁面に固着しない。

図１１は、従来の技術において、吐出終了時に溶融した樹脂Ｓを吐出ノズル１８内に引き込む様子を示した模式図である。吐出を終了した際に、エクストルーダ１１を構成する一対のローラの一方であるローラ１１ａをＨ方向に、他方のローラ１１ｂをＩ方向に回転させて、フィラメントＦを吐出ノズル１８から遠ざかるＪ方向に引き戻すと、樹脂固体面ＦＳがフィラメントＦとともに引き上げられる。これにより、吐出ノズル１８内が減圧され、溶融した樹脂Ｓが吐出ノズル１８内に引き込まれる。これにより、溶融した樹脂Ｓが吐出ノズル１８から垂れることが防止される。

しかし、樹脂固体面ＦＳの強度や溶融した樹脂Ｓの粘性によっては、この動作だけでは溶融した樹脂Ｓを十分に引き込むことができない。造形物ＭＯと溶融した樹脂Ｓがつながったままで吐出ノズル１８が移動すると、造形物ＭＯ上に糸引きした樹脂Ｓが残ったり、吐出ノズル１８を引き上げた後に樹脂Ｓが垂れたりしてしまい、造形物ＭＯの外観を悪化させてしまう。

これに対し、図１０に示す本実施形態では、仕切板１９および仕切板１９を移動させる仕切板移動機構２５によって、空間Ａを確実に変圧できるので、溶融した樹脂Ｓを確実かつ十分に、吐出ノズル１８内に引き込むことが可能となる。

以上のように、第２の実施形態によれば、造形材料（フィラメントＦ）を吐出ノズル１８内に引き込む機構を、吐出ノズル１８内に設けた仕切板１９の作用によって吐出ノズル１８内の空間の圧力を変化させるものとしたので、吐出ノズル１８の先端近傍に設置スペースを多く要することなく、造形材料の特性に関わらず、吐出ノズル１８内に造形材料を十分に引き込み可能にして、液だれを防ぐことができる。

また、本実施形態によれば、仕切板１９を吐出ノズル１８先端および造形物ＭＯから離れたところに設置できるため、設置スペースによる実施の制約が小さい。そのため、使用する樹脂Ｓに応じて、必要なだけ空間Ａ内に圧力変動を生じさせる構成を選択することができる（例えば後述の変形例）。

なお、以上に示した例では、仕切板１９の作用によって空間Ａの体積を変化させることにより空間Ａ内の圧力を変動させる例を挙げたが、空間Ａ内の圧力を変動させることができればよく、その手段は問わない。

また、仕切板１９により、溶融した樹脂Ｓが吐出ノズル１８およびフィラメントガイド１４内部を逆流して冷却部１２まで到達し、固化することによって流路がふさがれ、吐出不良が起こることを防止することができる。

また、仕切板１９により、吐出ノズル１８或いはフィラメントガイド１４内において、フィラメントＦが折れることを防止することができる。

以下、変形例について図１２〜図１６を用いて説明する。なお、第１の実施形態、第２の実施形態で同じ符号を用いている構成については、適宜詳細な説明を省略する。

（変形例１）
図１２は、フィラメントガイド１４に拡径部１４ａを有する吐出ヘッド１０Ｂの模式図である。本例においては、拡径部１４ａに仕切板１９Ａを設けている。図１０に示す吐出ヘッド１０Ａと比べて、図１２の吐出ヘッド１０Ｂでは、拡径部１４ａにおいて空間Ａの一部が拡張されている。仕切板１９Ａの面積が大きいほど、仕切板１９Ａの移動距離あるいは変形量に対する空間Ａ内の圧力変動が大きくなる。したがって、本例によれば、空間Ａの圧力を大きく変動させることができる。

なお、空間Ａ内に圧力変動を大きく生じさせる構成であればよく、フィラメントガイド１４の内径拡大にかぎらず、吐出ノズル１８の内径を拡大させるのであってもよい。

また、フィラメントガイド１４や吐出ノズル１８の内径拡大でなく、仕切板１９の移動距離を大きくする構成としても、同様に、空間Ａ内の圧力変動を大きく生じさせることができる。

（変形例２）
図１３は、弾性変形する仕切板１９Ｂを備える吐出ヘッド１０Ｃの模式図である。仕切板１９Ｂは、伸縮性のある材料で形成され、中央にフィラメントＦを通すための孔を有している。また、仕切板１９Ｂの外縁部はフィラメントガイド１４の内壁に固着されている。フィラメントＦは孔の内周に隙間なく接し、仕切板１９Ｂの中央部はフィラメントＦの動きにともなって移動する。これにより、仕切板１９Ｂは伸縮し変形する。仕切板１９Ｂの変形により仕切板１９Ｂと樹脂固体面ＦＳとの間の空間Ａ内の体積が変動する。

なお、図１３では、仕切板１９Ｂはフィラメントガイド１４内に存在するが、吐出ノズル１８内に存在してもよい。

（変形例３）
図１４は、仕切板１９Ｃを移動させるカム２０Ｃを備える吐出ヘッド１０Ｄの模式図である。仕切板１９Ｃは、吐出ノズル１８内の圧力やフィラメントＦの作用では変形しない材料により形成されている。

カム２０Ｃは、モータにより回転駆動されることにより、仕切板１９Ｃを上下に移動させる。カム２０Ｃが回転すると、仕切板１９Ｃは、フィラメントガイド１４内（或いは吐出ノズル１８内）を、上下方向に移動する。当該移動により、仕切板１９Ｃと樹脂固体面ＦＳとの間の空間Ａの体積が変化し、それに伴って空間Ａ内の圧力が変化する。

（変形例４）
図１５は、開閉可能な仕切板１９Ｄ（１９Ｄ１，１９Ｄ２）を例示する、吐出ヘッド１０Ｅ１，１０Ｅ２の模式図である。仕切板１９Ｄは、吐出ノズル１８内の圧力やフィラメントＦの作用では変形しない材料により形成されている。

仕切板１９Ｄ１は、全体的に移動することで、自身と樹脂固体面ＦＳとの間の空間Ａを開閉する。仕切板１９Ｄ２は、自身の一部が移動することで、空間Ａを開閉する。

仕切板１９Ｄの全体または一部を移動（上下動）させる構成としては、例えば、カムを用いた構成が考えられ、カムによりモータによる回転運動を上下運動に変換する。

図１６は、移動しない仕切板１９Ｅとポンプ２０Ｅとを備える吐出ヘッド１０Ｆの模式図である。仕切板１９Ｅは、吐出ノズル１８内の圧力やフィラメントＦの作用では変形しない材料により形成されて、フィラメントガイド１４あるいは吐出ノズル１８の内壁に固定されている。

ポンプ２０Ｅは、仕切板１９Ｅと樹脂固体面ＦＳとの間で、フィラメントガイド１４あるいは吐出ノズル１８に設けられた孔に連結されている。ポンプ２０Ｅは、空間Ａ内の空気を吸い出すことで空間Ａ内の圧力を下げ、空気を送り込むことで空間Ａ内の圧力を高める。

なお、本例では、ポンプ２０Ｅを空間Ａ内の圧力を変化させる構成として示したが、これに限らず、気体を移動させる手段は問わない。

以上、本発明は、第１の実施形態、第２の実施形態、およびの変形例をそれぞれ説明してきたが、必要に応じて、第１の実施形態、第２の実施形態、およびの変形例を２つ以上組み合わせてもよい。例えば、造形材料を吐出し積層させて立体造形物を製造する造形装置において、造形材料を加熱する加熱部と、加熱部で加熱された造形材料を吐出する吐出部と、造形材料を冷却する冷却部と、冷却部と前記加熱部との間隔を調整する駆動部と、冷却部と加熱部を仕切る仕切板と、仕切板を移動させて吐出部と仕切板の間の圧力を変化させる変圧部と、を備えるようにしてもよい。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態は、他の実施形態の変形例であるので、他の実施形態と同じ部分については同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。

図１７は、エクストルーダ１１の周辺の構造を詳細に示した図であって、加圧部５０の構造の一例を示す図である。吐出ヘッド１０は、さらに、加圧部５０やエクストルーダブラケット６０を備えている。加圧部５０は、加圧ブラケット５１、回動軸５２、引張コイルばね５３などにより構成される。

エクストルーダブラケット６０は、エクストルーダ１１を保持する。加圧ブラケット５１は、長手方向を概ね上下に向けて配置され、上側の端部（上端部）を、回動軸５２によって、エクストルーダブラケット６０に、回動自在に取り付けられている。

エクストルーダ１１を構成する一対のローラ１１ａ，１１ｂのうち一方のローラは、モータなどの駆動源により回転駆動される搬送ローラ１１ａであって、エクストルーダブラケット６０に回転自在に保持される。他方のローラである加圧ローラ１１ｂは、加圧ブラケット５１に回転自在に保持される。

加圧ブラケット５１の下側の端部（下端部）には、引張コイルばね５３の一端部が取り付けられている。引張コイルばね５３は、付勢部材の一例である。引張コイルばね５３の他端部は、引張コイルばね５３の長手方向がフィラメントＦの搬送経路に交差するように、エクストルーダブラケット６０に取り付けられている。この引張コイルばね５３により、加圧ローラ１１ｂが、フィラメントＦを挟んで対向する搬送ローラ１１ａに近接する方向に付勢される。これにより、搬送ローラ１１ａが回転すると、搬送ローラ１１ａとフィラメントＦとの間の摩擦力およびフィラメントＦと加圧ローラ１１ｂとの間の摩擦力により、加圧ローラ１１ｂは回転し、フィラメントＦは搬送される。

図１８は、加圧部５０がフィラメントＦに加える圧力を調整するための手法の一例を示す図である。吐出ヘッド１０は、調整部７０を、さらに備えている。調整部７０は、エクストルーダ１１を構成するローラ１１ａ，１１ｂがフィラメントＦに接する力（すなわち上記圧力）を調整するためのものである。

図１９は、調整部７０の構造の一例を示す図であって、（ａ）は上記圧力を強めた状態を示し、（ｂ）は上記圧力を弱めた状態を示す。調整部７０は、例えば、張架軸７１および長孔７２により構成される。引張コイルばね５３の他端部は、張架軸７１に引っ掛け保持される。張架軸７１は、長手方向を引張コイルばね５３の引き延ばし方向に沿わせた長孔７２に支持され、また、長孔７２の長手方向に移動自在であり、長孔７２内の任意の位置で、留め金などにより位置固定される。

図２０は、調整部７０の構造の他の例を示す図であって、（ａ）は上記圧力を強めた状態を示し、（ｂ）は上記圧力を弱めた状態を示す。調整部７０はまた、例えば、張架軸７１および孔７３，７４により構成される。孔７３，７４は、引張コイルばね５３の引き延ばし方向に沿って複数設けられた孔である。引張コイルばね５３の他端部は、張架軸７１に引っ掛け保持される。張架軸７１は、孔７３，７４のいずれかに支持される。

吐出ヘッド１０が加圧部５０および調整部７０を備えることにより、搬送ローラ１１ａと加圧ローラ１１ｂとがフィラメントＦを挟む力が適切になるよう調整することが容易になる。

造形速度や造形材料によってフィラメントＦの溶融に必要な熱量が異なるのと同様に、フィラメントＦの搬送に要する力（フィラメント搬送力）も、フィラメントＦの材料（造形材料）や造形速度によって異なる。フィラメント搬送力は、上記圧力（加圧部５０がフィラメントＦに加える圧力）に比例する。詳細には、フィラメント搬送力は、上記圧力に「レバー比」と「フィラメントＦとローラ１１ａ，１１ｂとの摩擦係数」をかけたものである。エクストルーダ１１の駆動源（モータなど）は、所定の上記搬送力を得るにあたって必要なトルクを出すことができるものであればよい。

例えば、造形速度が大きくなると、フィラメントガイド１４および吐出ノズル１８の内径での管路損失も大きくなる。このため、所望の造形速度を得るには、フィラメント搬送力を大きく設定する必要がある。また、管路損失は、溶融樹脂の粘度にも影響を受ける。したがって、造形材料に応じて、フィラメント搬送力の設定を調整する必要がある。

また、フィラメント搬送力を大きく設定しすぎると、フィラメントＦや搬送ローラ１１ａの摩耗、フィラメントＦの搬送経路内でのフィラメントＦの座屈などの不都合が発生するおそれがある。そのような不都合を防ぐには、造形速度や造形材料に応じた、適切なフィラメント搬送力に設定することが重要である。

引張コイルばね５３による荷重は、取付長に比例して変化する。エクストルーダブラケット６０に設けた張架軸７１の取付位置の変更によって、フィラメント搬送力を調整する調整部７０を備える本実施形態において、造形速度や造形材料に応じて張架軸７１の位置を変更することにより、フィラメント搬送力を適切に設定することが可能となる。

張架軸７１の位置は、製品の出荷時に、想定する造形材料や造形速度に対応させて設定してもよいし、或いは、造形条件（造形材料や造形速度）ごとに任意に切り替えられるよう、張架軸７１に例えばソレノイド等の変位手段を設けてもよい。

なお、付勢部材として、圧縮コイルばねを用いてもよい。その場合も、引張コイルばね５３を用いた場合と同様に、例えば圧縮コイルばねの座面を可動にして、取付長を調整可能な構造とすればよい。

また、フィラメントＦを効率良く搬送するために、搬送ローラ１１ａや加圧ローラ１１ｂの表面に、フィラメントＦとの間に大きな摩擦力を持たせる加工を施してもよい。当該加工の例としては、ローラ１１ａ，１１ｂの表面にフィラメントＦの表面に食い込むような凹凸を形成する、ローラ１１ａ，１１ｂをエラストマーなどの弾性を有する材料で形成する、或いはローラ１１ａ，１１ｂの表面をゴムなどの弾性を有する材料で覆う、などがある。

１，１Ａ…造形装置
２ …筐体
３ …造形テーブル
４ …リール
１０，１０Ａ〜１０Ｆ…吐出ヘッド
１１ …エクストルーダ（搬送部）
１１ａ…ローラ（搬送ローラ）
１１ｂ…ローラ（加圧ローラ）
１２ …冷却部、１３…冷媒通路
１４ …フィラメントガイド（経路）、１４ａ…拡径部
１５ …加熱部、１６…熱源、１７…熱電対
１８ …吐出ノズル
１９，１９Ａ〜１９Ｅ…仕切板
２０Ｃ…カム、２０Ｅ…ポンプ
２１ …中継フレーム
２２ …ヘッドフレーム
２３ …昇降機構（駆動部）
２４ …テーブル加熱部
２５ …仕切板移動機構
３１ …Ｘ軸駆動軸
３２ …Ｘ軸駆動モータ
３３ …Ｙ軸駆動軸
３４ …Ｙ軸駆動モータ
３５ …Ｚ軸駆動軸
３６ …ガイド軸
３７ …Ｚ軸駆動モータ
３８ …クリーニングブラシ
３９ …ダストボックス
４０ …側面冷却部
４１ …サーモカメラ（測温部）
４２ …熱電対（測温部）
５０ …加圧部
５１ …加圧ブラケット
５２ …回動軸
５３ …引張コイルばね（付勢部材）
６０ …エクストルーダブラケット
７０ …調整部
７１ …張架軸
７２ …長孔
７３，７４…孔
１００…制御部
１０１…撮像モジュール
１０２…ねじり回転機構
１０３…径測定部

国際公開第２０１７／０８５９６１号

Claims (22)

1. 造形材料を吐出し積層させて立体造形物を製造する造形装置において、
   造形材料を加熱する加熱部と、
   前記加熱部で加熱された造形材料を吐出する吐出部と、
   造形材料を冷却する冷却部と、
   前記冷却部と前記加熱部との間隔を調整する駆動部と、
   を備える造形装置。
2. 前記駆動部は、前記冷却部に連結され、回転駆動するボールねじを備える
   請求項１に記載の造形装置。
3. 前記駆動部は、前記加熱部に対して前記冷却部を移動させるカムを備える
   請求項１に記載の造形装置。
4. 前記駆動部は、前記吐出部からの造形材料の吐出速度に応じて、前記間隔を調整する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の造形装置。
5. 前記駆動部は、造形材料の性質に応じて、前記間隔を調整する
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の造形装置。
6. 前記冷却部は、液体の冷媒を循環する
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の造形装置。
7. 前記冷却部は、冷却対象に空気を吹き掛ける空冷ファンである
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の造形装置。
8. 造形材料の温度分布を測定する測温部をさらに備え、
   前記駆動部は、前記測温部の温度分布に応じて、前記間隔を調整する
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の造形装置。
9. 前記測温部は、サーモカメラである、請求項８に記載の造形装置。
10. 前記測温部は、熱電対である、請求項８に記載の造形装置。
11. 前記冷却部と前記加熱部を仕切る仕切板をさらに備える
    請求項１に記載の造形装置。
12. 前記仕切板を移動させて、前記吐出部のノズルと仕切板との間の圧力を変化させる変圧部をさらに備える
    請求項１１に記載の造形装置。
13. 前記吐出部は、一部に、他の部分よりも内径が大きい箇所である拡径部を有し、
    前記仕切板は、前記拡径部内に設けられている
    請求項１２に記載の造形装置。
14. 造形材料は、フィラメント状の形状を有するものであって、
    前記仕切板は、弾性を有する材料で構成されて外縁部が前記吐出部内に固着されていて、中央部に加熱前でフィラメント状の造形材料が貫通する孔を有し、当該孔を通る造形材料の動きに伴って前記中央部が移動することにより弾性的に変形するものであって、
    前記孔を通る造形材料をその供給方向に沿って移動させる搬送部が、前記変圧部として機能する
    請求項１２または１３に記載の造形装置。
15. 前記変圧部は、アクチュエータまたはカムにより前記仕切板を移動させる
    請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の造形装置。
16. 前記仕切板は、前記冷却部側の空間と前記ノズル側の空間とを二分する閉状態と、前記冷却部側の空間と前記ノズル側の空間とを連通させる開状態と、に遷移可能である
    請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の造形装置。
17. 前記仕切板は、全体または一部が移動することによって、前記閉状態と前記開状態とを遷移する
    請求項１６に記載の造形装置。
18. 前記変圧部は、前記仕切板と、前記加熱部により加熱後の造形材料と、の間の空間に気体を注入し、また前記空間の気体を吸引するものである
    請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の造形装置。
19. 造形材料は、フィラメント状の形状を有するものであって、
    造形材料を移動させる搬送部が当該造形材料に接する力を調整するための調整部
    をさらに備える請求項１に記載の造形装置。
20. 前記吐出部による造形材料の吐出速度および造形材料の少なくともいずれかに応じて、前記調整部に調整を行わせる変位手段
    をさらに備える請求項１９に記載の造形装置。
21. 造形材料を加熱する加熱部と、前記加熱部で加熱された造形材料を吐出する吐出部と、造形材料を冷却する冷却部とを備え、吐出させた造形材料を積層させて立体造形物を製造する造形装置における造形方法であって、
    前記冷却部と前記加熱部との間隔を調整する間隔調整工程
    を含む造形方法。
22. 造形材料を加熱する加熱部と、前記加熱部で加熱された造形材料を吐出する吐出部と、造形材料を冷却する冷却部とを備え、吐出させた造形材料を積層させて立体造形物を製造する造形装置における造形方法であって、
    前記吐出部内を前記冷却部側と前記加熱部側とに二分した前記加熱部側の空間で、圧力を変化させる工程
    を含む造形方法。

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